JP4391745B2 - Manufacturing method of FET with notch gate - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、集積回路チップに関する。より詳細には、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に関する。さらに詳細には、Ｔ形ゲートを有する改良されたＦＥＴに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＥＴの速度は、主としてゲートの端から端までの距離で決まる。ゲート導体距離のより短いトランジスタは、ソースとドレイン間の間隔がより短く、一般に速度が速くなる。この業界では、光をより短波長にし、かつ開口数のより高いレンズを提供するフォトリソグラフィ装置へ移行して、各世代の集積回路についてこのゲート寸法の縮小を可能にした。しかし、これらの変化によって上下チップのライン幅のばらつきがしばしば増大した。さらに、これらの変化によってゲート抵抗が増大する結果となった。
【０００３】
米国特許第５，７５０，４３０号は、スペーサ間のウィンドウにゲート用ポリシリコンを付着させることによって生成する、曲がったサイドウォールを有するゲートを記載している。このトランジスタは、下部より上部の寸法が大きい。これによって形成されるチャネル長さは、最小寸法より短く、オーバーラップ容量が低減している。
【０００４】
１９９９年の米国ワシントンＤＣにおける、Technical Digest ofthe 1999 International Electron Devices Meetingの４１５頁の、T. Ghani等による報文「100nm GateLength High performance /Low Power CMOS Transistor」には、ポリ・ゲートの下部にノッチを有するＦＥＴが記載されている。このノッチは、ソース−ドレイン−拡張部インプラントを相殺し、改良された容量を有するより短いゲート寸法を提供し、さらに、ゲートが全体としてより大きな横断面積を有するので、抵抗の増大を回避している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
曲がったサイドウォールを有する、スペーサによって画定されたゲート、およびノッチ付きゲートは、利点を提供するが、実質的なさらなるデバイス性能の改良が可能である。この改良は、米国特許第５，７５０，４３０号およびT. Ghaniの報文に記載の構造を修正することによって誘導することができる。以下の発明は、この新しい構造およびこの新しい構造を実現するための方法を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
一態様では、本発明は、上部寸法を有する上部と、下部寸法を有する下部とを有するゲートを含むＦＥＴである。上部寸法は、下部寸法より大きい。このＦＥＴは、下部によって画定される拡散部を含む。
【０００７】
このＦＥＴは、上部によって画定される拡散部も含む。下部によって画定される拡散部は、ハロー・インプラントとすることができ、上部によって画定される拡散部は、拡張部インプラントとすることができる。
【０００８】
本発明の他の態様は、第１導電材料とは異なる第２導電材料の下に、前記第１導電材料を有するゲートを含むＦＥＴによって達成される。第１導電材料は、ノッチ付きである。
【０００９】
本発明の他の態様は、半導体デバイスの製作方法である。この方法は、第１材料から形成される基板を供給するステップを含む。基板は、表面を有する。次のステップは、この表面上にゲート誘電体を形成することである。次いで、ゲート誘電体上にゲートを付着する。ゲートは第１ゲート層および第２ゲート層を含み、第１ゲート層はゲート誘電体に接触し、第２ゲート層は第１ゲート層の上にある。次のステップは、第１ゲート層の縁部を化学反応させて第１反応生成物を形成することである。最後に、この方法は、第１ゲート層の残りの部分および第２ゲート層に対して、第１反応生成物を選択的に除去して、第１ゲート層にノッチを設けることを含む。
【００１０】
一実施形態によれば、ＦＥＴは、Ｔ形のゲートを有する。このＦＥＴは、このＴの下部に対して自己整合されたハロー拡散部と、上部に対して自己整合された拡張拡散部を有する。これによって、ハローは拡張部インプラントから分離され、これが著しい利点を提供する。Ｔ形ゲートの上下部分は、ゲルマニウムとシリコンなど、２つの異なる材料からなる層から形成することができる。この２つの層は、同時にパターン化される。次いで、下層の露出した縁部を選択的に化学反応させ、反応生成物をエッチング除去してノッチを設ける。
【００１１】
他の実施形態では、ゲートは、単一のゲート導体から形成される。金属をサイドウォールに沿ってコンフォーマルに（conformally）付着し、リセス・エッチングしてサイドウォールの上部を露出させ、加熱して下部に沿ってシリサイドを形成する。シリサイドをエッチングしてノッチを設ける。
【００１２】
本発明の上記ならびに他の特徴および利点は、添付の図面に示すような、以下の本発明の詳細な説明から明らかとなろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】
ハローまたはポケット・インプラントは、非常に短いＭＯＳＦＥＴにおいて、ショート・チャネル効果を抑える手段としてよく知られている。ショート・チャネル効果には、ゲート長が短くなるにつれて、Ｖｔが低下することおよびサブスレショルド傾斜が増大することが含まれる。通常、ハロー形成は、ソース／ドレイン・ドーピングと反対のドーパント型をインプラントすることによって達成される（例えば、ＮＦＥＴへホウ素をインプラントすることにより）。ソース／ドレイン拡張部インプラントの範囲を越えてゲートの下に到達させるために、ハロー・インプラントには高エネルギーが使用される。通常、ソース／ドレイン拡張部インプラントは、表１に示すように、著しく低いエネルギーとより高いドーズ量を有する。その結果、ハローのｐドーパントは、ソース／ドレイン拡散部のｎドーパントより深く配置されることが多い。したがって、ｎ型ソース・ドレイン拡散部は、ｐ型ハローで周囲をすべて覆われる。チャネル領域のｐ型ドーパントは、ショート・チャネル効果には役に立つが、ソース／ドレインの下部に延在するハローは、ソース／ドレイン接合容量を増大する不利な効果を有する。
【表１】

Figure 0004391745
【００１４】
高エネルギーを用いてハローをソース／ドレインおよび拡張部から遠くへ移動させるが、一般に、ハローに利用できる正味のｐドーパントは、インプラントされたｐドーパント総ドーズ量の内わずかである。何故なら、ｐインプラントの大部分は、より高濃度でドーピングされるソース／ドレインの中に落下して相殺されてしまう。したがって、標準のインプラント技術においては、通常の制御では限定されたハロー濃度までしか到達できず、これがショート・チャネル効果の制御の程度を限定している。さらに、ハロー・キャリア濃度の制御は、相殺されずに残るｐ型ドーパント原子がわずかなために困難である。したがって、ハローまたは拡張部インプラントのドーズ量またはエネルギーの小さな変動が、ハロー・キャリア濃度の大きな変動をもたらす可能性がある。
【００１５】
従来のハローでは、キャリア濃度が１０１７〜１０１８の範囲の場合、距離７０〜１００Ａで１０ｘのハロー・キャリア濃度変化が得られる。キャリア濃度変化の割合がこのようにゆるやかであるのは、拡張部インプラントおよびソース／ドレイン・インプラントによるハロー・インプラントの相殺の結果である。改良されたショート・チャネル制御では、３０〜４０Ａで同じ１０ｘのキャリア濃度変化をもたらすような、キャリア濃度のより急激な変化が必要である。さらに、デバイス性能を改良するためには、ソース／ドレイン下部のハロー濃度を低下させて、ソース／ドレイン接合容量を低下させることができる。ハロー・ドーピング濃度が高くなると空乏領域が狭くなり、これが静電容量を増大させる。
【００１６】
ノッチ付きゲートから、２つの明確な変化をもたらすことができる。第１に、ハロー・インプラントのエネルギーを低くすることができ、これにより、図１の曲線１６および１６’を比較して示すように、広がりの少ない、したがってより急峻なハロー分布結果がもたらされる。曲線１６は従来のハロー・インプラントであり、一方、曲線１６’は、本願で以下詳細に説明する本発明のノッチ付きゲートを用いることによって得られるハロー・インプラントである。曲線１８は、従来のゲートとノッチ付きゲート両方の場合の拡張部インプラントの分布図である。第２に、ハロー・インプラントが拡張部インプラント縁部から間隔をおいて配置されている領域では、曲線１７および１７’上の点ＢおよびＢ’に示すように、ハローはより高い正味ドーピング濃度を有する。これにより、この区域により狭い空乏領域がもたらされる。さらに、ハロー・ドーピングがより高いために、図１および図２の点ＡおよびＡ’に示すように、より急峻な接合部がもたらされる。空乏領域が狭くなると、Ｖｔのショート・チャネル制御が改善される。曲線１７’上の点Ａ’でのドーピング分布は、曲線１７上の点Ａでのドーピング分布より急峻であり、より短いチャネルでチャネル電位を制御してデバイスを停止することが可能になる。
【００１７】
より低いエネルギーでのインプラントを用い拡散をより少なくして、ノッチ付きゲートを有するハローを形成することができるので、曲線１７’上の点Ｃ’でのハロー・ドーピング分布は、曲線１７上の点Ｃでのハロー・ドーピング分布より急峻にすることができる。これにより、ハローの広がりが縮小し、かつハローの分散が減少するので、チャネル長を短くしてもリニアＶｔの制御を改善することができる。図３、図４、および図５に示すように、ハロー・インプラントのより急峻な分布Ｃ’により、２つのハローが一体化する前に、ソースおよびドレイン拡散部を互いにより接近して配置することができる。これにより、より短いチャネル長でも同等のＶｔ制御を行うことができる。物理的には、図３、図４、図５は、ゲート長が異なるだけである。図３では、従来のゲート・ハローおよびノッチ付きゲート・ハローはいずれも、ソースおよびドレインに隣接して識別可能な領域があり、Ｖｔ制御において同等に有効である。図４では、ノッチ付きゲート・ハローは、ソースおよびドレインに隣接して識別可能なハローを引き続いて形成しているが、従来のハローは一体化し始め、Ｖｔの制御は劣るものになる。図５では、従来のハローは完全に一体化し、一方、ノッチ付きゲート・ハローはこれから一体化し始めるところである。したがって、ノッチ付きゲート・ハローを用いることにより、優れたＶｔ制御を、より短いチャネル長で実現することができる。
【００１８】
ハロー・インプラントを拡張部インプラントから分離する一方法は、ゲートの縁部にハローをインプラントし、次いでゲートのサイドウォールに沿ってスペーサを設け、次いでソース／ドレイン拡張部をインプラントする。スペーサの幅は１０〜２０ｎｍであり、これにより、ハローと拡張部インプラントの間に間隔が設けられる。この方法は、ハローのソース／ドレイン拡張部からの所望の分離を可能にするが、ＮＦＥＴ拡張部ブロック・マスクを、スペーサ形成の前に１回、後に１回の２回使用する必要があるのが欠点である。この方法は、ハローとインプラントの分離を確実に再現できるように、スペーサの幅を厳しく制御する必要もある。本発明は、この手法を改善するものである。
【００１９】
本発明の方法は、転倒型Ｔゲートを用いてハローを斜角インプラントし、一方より垂直な方向から拡張部インプラントを設けることによって、ハロー・インプラントと拡張部インプラントの分離、より急峻な接合、およびハロー・キャリア濃度のより厳しい制御を可能にする。したがって、本発明は、ハロー・インプラントと拡張部インプラントを、これらのインプラントの間に何らのマスキング工程なしに、互いに横方向にずらせて配置することができる。したがって、拡張部ブロック・マスクは、ハローおよび拡張部の両方を設けるのに、１回のみの使用でよい。この単一マスクによるインプラントの分離では、初めに、半導体ウェーハ２１上にＴ形ゲート２０をエッチングする。（Ｔ形ゲートは、以下本明細書で説明するプロセスを用いて形成することができる。）
【００２０】
図６に示すように、Ｔ形ゲート２０は、ゲート誘電体２４上に、寸法Ｌ１および縁部２３を有する下部２２を有する。Ｔ形ゲート２０は、下部２２上に、寸法Ｌ２および縁部２７を有する上部２６も有する。ノッチ２８は、これによって画定され、高さｈおよび横方向長さｕを有する。ここで、ｕ＝（Ｌ２−Ｌ１）／２である。Ｔ形ゲート２０を形成した後、拡張部ブロック・マスク（図示せず）を設けて、ＮＦＥＴ３０の形成中、ＰＦＥＴＳをブロックする。
【００２１】
次いで、ｐ型ハロー３２を、ｔａｎ ｑ ＜ ｈ／ｕによって与えられる角度ｑでインプラントする。ここで、ｈはノッチの高さであり、ｕはノッチの横方向長さである。したがって、ハロー３２は、Ｔ形ゲート２０の下部２２によって画定される。一般に、配向の異なるウェーハ上にデバイス用インプラントを設けるために、ハローの斜角インプラントは、４つの基本方位すべてから行われる。図６に示すように、いかなる特定のデバイスも、２方向の活性領域でインプラントを受ける。最後に、半導体ウェーハ２１に垂直な角度で、拡張拡散部３４をインプラントする。したがって、拡散拡張部３４は、ゲート２０の大きい上部２６の縁部２７によって画定される。
【００２２】
したがって、ハロー３２のインプラント縁部３６は、拡張部３４のインプラント縁部３８から、ほぼｕに等しい寸法だけずれている。この寸法は、ノッチ２８の寸法にほぼ等しく、いずれのインプラントも、インプラント工程の間にどんなマスキング工程もなしに行われる。これら２つの拡散部３２および３４がゲート２０の異なる縁部２３および２７によって画定されているために、この分離を実現するのにマスキング工程が必要ない。これは、転倒型Ｔ形ゲート２０を用いて垂直インプラントおよび斜角インプラントを行うことによって達成される。
【００２３】
次の工程では、図７に示すように、ウェーハ２１のすべての表面上に絶縁材料４６の層をコンフォーマルに付着する。絶縁材料４６は、二酸化ケイ素または窒化ケイ素などの材料からなる。次いで、図８に示すように、方向性エッチングを用いてサイドウォール・スペーサ４８を形成する。最後に、やはり図８に示すように、スペーサ４８で画定してソース／ドレイン５０をインプラントする。別法として、図９に示すように、第１層５６のノッチ付きサイドウォールに沿ってスペーサ４８の背後にエア・ギャップ４９が取り残されるように、絶縁材料４６を非コンフォーマルに付着することもできる。プラズマ・エンハンスト化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）などの付着プロセスが、方向性の優れた付着プロセスとして知られており、垂直面と比べて水平面により厚い膜を付着させる。図１０に示すように、方向性エッチングを用いてエア・ギャップ４９を有するサイドウォール・スペーサ４８が形成される。得られるエア・ギャップ４９の誘電率は約１．０であり、一方、二酸化ケイ素サイドウォール・スペーサ４８の誘電率は約３．５である。エア・ギャップ４９は、サイドウォール・スペーサ４８の有効誘電率を低下させ、したがって、オーバーラップ容量の低下に役立つ。
【００２４】
Ｔ形ゲート２０は、別個のマスキング工程を追加せずにハロー・インプラントと拡張部インプラントの分離を可能にするものであるが、本明細書記載のプロセスは、下部２２を最小以下の長さ寸法で製作して、実質的にデバイス性能を改善することができるという大きな利点も提供する。さらに、本発明の方法は、ライン幅の公差を増大することなしに、このゲート長の縮小を可能にする。さらに、Ｔ形ゲートには、面積の大きい上部２６が設けられ、これにより、下部２２が縮小した際のゲート抵抗の許容し難い増大を回避する。したがって、性能は、許容し難い否定的な影響なしに実質的に改善することができる。
【００２５】
Ｔ形ゲート２０は、図１１に示すように、ウェーハ２１上のゲート誘電体２４およびアイソレーション（図示せず）上に２層構造５４を付着させることによって形成する。２層構造５４は、ゲルマニウム層５６などの第１層、およびポリシリコン層５８などの第２層を含む。これら２層は、第１層５６と第２層５８との酸化され易さが異なる材料から選択される。次に、２層構造５４は、図１２に示すように、フォトリソグラフィでパターン化しエッチングされる。エッチングされたゲルマニウム層５６およびポリシリコン層５８は、長さおよび幅が等しい。この長さまたは幅は、フォトリソグラフィ・システムで実現できる最小寸法のはずである。
【００２６】
次の工程では、２層構造５４は、図１３に示すように、約５００〜６００Ｃで、酸化などの化学反応工程にかけられる。この温度では、図１３に示すように、酸化ゲルマニウム６０がゲルマニウム層５６の露出した縁部に成長する。ポリシリコン層５８は、この温度では十分に酸化しない。酸化ゲルマニウム６０が成長して、７〜１３ｎｍ（横方向長さｕ）のゲルマニウム層５６を消費する。次いで、水洗浄で酸化ゲルマニウム６０が除去され、図６に示すノッチ２８が設けられる。この酸化工程は、非常に厳密に制御することができ、消費されるゲルマニウムの厚みの再現性が非常に良い。ゲルマニウムまたはポリシリコンをさらにエッチングすることなく、すべての酸化物を除去することができる。したがって、この酸化とエッチングのプロセスは、除去されるゲルマニウム層５６の量の高度な制御を可能にし、ゲルマニウム層５６の長さまたは幅の厳密な公差を可能にする。したがって、ゲルマニウム層５６は、ポリシリコン層５８より、約１４から約２６ｎｍ短い寸法を有する。こうして、ゲルマニウム層５６の寸法は、使用されたフォトリソグラフィ・システムの最小寸法より約１０から約５０％小さくすることができ、一方、ポリシリコン層５８は最小寸法のままである。
【００２７】
他の実施形態では、第１層５６は、ゲルマニウム化合物ＧｅｘＳｉ１−ｘを含むことができる。ここで、ｘは、約０．５から約１．０の範囲である。
【００２８】
他の化学反応工程にも、同様に優れた制御を備えたものがある。例えば、第１層５６をポリシリコン、第２層５８を耐熱金属とすることができる。白金、チタン、タンタル、またはコバルトなどの金属の薄層を、２つのゲート層５６、５８のサイドウォールに沿ってコンフォーマルに付着する。次いで、基板を加熱すると、金属薄膜がポリシリコン層５６と反応して、第１層５６のサイドウォール縁部に沿って金属シリサイドを形成する。第２層５８は、耐熱金属であって反応しない。次いで、第２層に影響を与えないようにシリサイドを選択的にエッチングして、ノッチ２８を形成することができる。
【００２９】
別法として、ポリシリコン６６の単一ゲート層をゲート２０’に用いることもできる。図１４は、付着してゲート・ポリシリコン６６のサイドウォール７０を被覆した金属薄膜６８を示す。図１５は、金属薄膜６８に方向性エッチングを施したことを示しており、水平表面方向、およびゲート・ポリシリコン層６６のサイドウォール７０の上部７０ａ方向の金属が除去される。次いで、基板２１が加熱されると、残存金属６８’がポリシリコン６６と反応して、図１６に示すように、金属６８’で被覆されたサイドウォール７０の下部７０ｂだけに、金属シリサイド７２が形成される。次いで、図１７に示すように、このシリサイドが除去されてノッチ２８が形成される。コバルト・シリサイドまたはチタン・シリサイドなどの金属シリサイド７２は、過酸化水素または熱硫酸／過酸化水素混合物中で湿式エッチングすることができる。
【００３０】
本プロセスで形成されたＴ形ゲート２０は、従来技術のゲートと比べて実質的な利点を有する。ゲート２０の下部がその有効チャネル長を決めるので、Ｔ形ゲートを形成するための従来の試みより厳密な制御を用いることによって、ゲルマニウム層５６をこのように選択的に酸化し、かつトリミングすることにより、トリミングのないデバイスより高性能のデバイスを提供することができる。より長いまたはより幅広の上部ポリシリコン層５８を用いて、ゲート導体全体の導電率を高くすることができる。
【００３１】
所望により、ゲート誘電体スタックは、ゲルマニウムからなる下層およびシリコンからなる上層、ならびにこれら２層の間のＳｉＧｅ傾斜層から構成することもできる。この場合は、ゲルマニウム膜とシリコン膜の間が、シャープな不連続プロフィルではなく、テーパ付きプロフィルの最終ゲート導体構造が形成される。
【００３２】
第１層５６および第２層５８に、酸化および酸化物のエッチングに選択性がある他の導電材料を用いることもできる。例えば、タングステン、タンタル、モリブデン、またはチタンなどの耐熱金属、または、チタン・シリサイド、コバルト・シリサイド、または白金シリサイドなどのシリサイドを、第２層５８に使用することができる。次いで、ポリシリコンを第１層５６に使用できる。
【００３３】
他の実施形態では、酸化工程を省いて、第１層５６を第２層５８に対して選択的にエッチングして、Ｔ形ゲート２０を形成することができる。しかし、この場合は、酸化してその後エッチング工程を行うより、プロセス制御性にやや劣ることが予想される。
【００３４】
本発明のいくつかの実施形態ならびにその修正を、本明細書で詳細に説明し、かつ添付の図面に示したが、本発明の範囲から逸脱することなく、他の様々な修正を施して、ノッチ付きゲートを有するＦＥＴを提供することが可能であることは明らかであろう。上記明細書中の何も、本発明を頭記の特許請求の範囲より狭く限定することを意図するものではない。提供した実施例は、例示を意図するだけであり、排他的なものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 デバイスの片側を示した、従来のゲートのデバイスおよびノッチ付きゲートのデバイスについての、拡張部インプラントおよびハローのドーピング分布図である。
【図２】 従来のゲートのデバイスおよびノッチ付きゲートのデバイスについての、拡張部インプラントおよびハローの、相殺された正味のドーピング分布図である。
【図３】 ソースおよびドレインを含めてデバイス全体を示した、チャネル長の異なる従来のゲートのデバイスおよびノッチ付きゲートのデバイスについての、拡張部インプラントおよびハローの、相殺された正味のドーピング分布図である。
【図４】 ソースおよびドレインを含めてデバイス全体を示した、チャネル長の異なる従来のゲートのデバイスおよびノッチ付きゲートのデバイスについての、拡張部インプラントおよびハローの、相殺された正味のドーピング分布図である。
【図５】 ソースおよびドレインを含めてデバイス全体を示した、チャネル長の異なる従来のゲートのデバイスおよびノッチ付きゲートのデバイスについての、拡張部インプラントおよびハローの、相殺された正味のドーピング分布図である。
【図６】 Ｔ形ゲートの異なる縁部によって画定されるハローおよび拡張部インプラントを示した、Ｔ形ゲートの横断面図である。
【図７】 図６のＴ形ゲートについて、スペーサおよびソース／ドレイン・インプラントを形成するプロセス工程を示した横断面図である。
【図８】 図６のＴ形ゲートについて、スペーサおよびソース／ドレイン・インプラントを形成するプロセス工程を示した横断面図である。
【図９】 図６のＴ形ゲートについて、スペーサの背後にエア・ギャップを設けるプロセス工程を示した横断面図である。
【図１０】 図６のＴ形ゲートについて、スペーサの背後にエア・ギャップを設けるプロセス工程を示した横断面図である。
【図１１】 図６のＴ形ゲートを製作する一プロセスを示した横断面図である。
【図１２】 図６のＴ形ゲートを製作する一プロセスを示した横断面図である。
【図１３】 図６のＴ形ゲートを製作する一プロセスを示した横断面図である。
【図１４】 ゲート材料の２層構造なしで、Ｔ形ゲートを製作する他のプロセスを示した横断面図である。
【図１５】 ゲート材料の２層構造なしで、Ｔ形ゲートを製作する他のプロセスを示した横断面図である。
【図１６】 ゲート材料の２層構造なしで、Ｔ形ゲートを製作する他のプロセスを示した横断面図である。
【図１７】 ゲート材料の２層構造なしで、Ｔ形ゲートを製作する他のプロセスを示した横断面図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention generally relates to integrated circuit chips. More particularly, it relates to a field effect transistor (FET). More particularly, it relates to an improved FET having a T-gate.
[0002]
[Prior art]
The speed of the FET is mainly determined by the distance from end to end of the gate. Transistors with shorter gate conductor distances have a shorter spacing between the source and drain and generally have a higher speed. The industry has moved to photolithographic devices that provide light with shorter wavelengths and higher numerical aperture lenses, allowing this gate size to be reduced for each generation of integrated circuits. However, these changes often increased the variation in the line width of the upper and lower chips. Furthermore, these changes resulted in an increase in gate resistance.
[0003]
U.S. Pat. No. 5,750,430 describes a gate with curved sidewalls produced by depositing gate polysilicon in the window between the spacers. This transistor is larger in size from the bottom to the top. The channel length formed thereby is shorter than the minimum dimension, and the overlap capacity is reduced.
[0004]
In 1999, Washington, DC, Technical Digest of the 1999 International Electron Devices Meeting, page 415, T. Ghani et al.'S report “100nm GateLength High performance / Low Power CMOS Transistor” has a notch at the bottom of the poly gate. An FET with is described. This notch offsets the source-drain-extension implant, provides shorter gate dimensions with improved capacitance, and avoids increased resistance because the gate has a larger cross-sectional area as a whole. Yes.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Gates defined by spacers with bent sidewalls and notched gates provide advantages, but substantial further device performance improvements are possible. This improvement can be induced by modifying the structure described in US Pat. No. 5,750,430 and T. Ghani. The following invention provides this new structure and a method for realizing this new structure.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In one aspect, the present invention is a FET that includes a gate having an upper portion having an upper dimension and a lower portion having a lower dimension. The upper dimension is larger than the lower dimension. The FET includes a diffusion defined by a lower portion.
[0007]
The FET also includes a diffusion defined by the top. The diffuser defined by the lower part can be a halo implant and the diffuser defined by the upper part can be an extension implant.
[0008]
Another aspect of the invention is achieved by a FET comprising a gate having a first conductive material under a second conductive material different from the first conductive material. The first conductive material is notched.
[0009]
Another aspect of the present invention is a method for fabricating a semiconductor device. The method includes providing a substrate formed from a first material. The substrate has a surface. The next step is to form a gate dielectric on this surface. A gate is then deposited on the gate dielectric. The gate includes a first gate layer and a second gate layer, the first gate layer is in contact with the gate dielectric, and the second gate layer is on the first gate layer. The next step is to chemically react the edge of the first gate layer to form a first reaction product. Finally, the method includes selectively removing the first reaction product relative to the remaining portion of the first gate layer and the second gate layer to provide a notch in the first gate layer.
[0010]
According to one embodiment, the FET has a T-shaped gate. This FET has a halo diffusion part self-aligned with respect to the lower part of the T and an extension diffusion part self-aligned with respect to the upper part. This separates the halo from the extension implant, which provides significant advantages. The upper and lower portions of the T-shaped gate can be formed from layers of two different materials, such as germanium and silicon. The two layers are patterned simultaneously. Then, the exposed lower edge of the lower layer is selectively chemically reacted to etch away the reaction product to provide a notch.
[0011]
In other embodiments, the gate is formed from a single gate conductor. Metal is conformally deposited along the sidewall, and recess etched to expose the top of the sidewall and heated to form a silicide along the bottom. The silicide is etched to provide a notch.
[0012]
The above and other features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the invention, as illustrated in the accompanying drawings.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Halo or pocket implants are well known as a means of suppressing short channel effects in very short MOSFETs. Short channel effects include a decrease in Vt and an increase in subthreshold slope as gate length is shortened. Usually, halo formation is achieved by implanting the dopant type opposite to the source / drain doping (eg, by implanting boron into the NFET). High energy is used in the halo implant to reach under the gate beyond the source / drain extension implant. Typically, source / drain extension implants have significantly lower energy and higher dose as shown in Table 1. As a result, the halo p-dopant is often located deeper than the n-dopant in the source / drain diffusion. Therefore, the n-type source / drain diffusion portion is entirely covered with the p-type halo. Although p-type dopants in the channel region are useful for short channel effects, the halo extending under the source / drain has the disadvantageous effect of increasing the source / drain junction capacitance.
[Table 1]
Figure 0004391745
[0014]
Although high energy is used to move the halo far from the source / drain and extension, generally the net p-dopant available for the halo is only a fraction of the total dose of implanted p-dopant. This is because most of the p-implants fall into the more heavily doped source / drain and cancel out. Therefore, with standard implant technology, normal control can only reach a limited halo concentration, which limits the degree of control of the short channel effect. Furthermore, it is difficult to control the halo carrier concentration due to the small number of p-type dopant atoms that remain unbalanced. Thus, small variations in the dose or energy of the halo or extension implant can result in large variations in halo carrier concentration.
[0015]
In the conventional halo, when the carrier concentration is in the range of 10 17 to 10 18 , a 10 × change in halo carrier concentration can be obtained at a distance of 70 to 100 A. This gradual rate of carrier concentration change is the result of offsetting the halo implant by the extension implant and the source / drain implant. Improved short channel control requires a more rapid change in carrier concentration that results in the same 10x change in carrier concentration at 30-40A. Furthermore, in order to improve the device performance, the halo concentration under the source / drain can be reduced to reduce the source / drain junction capacitance. As the halo doping concentration increases, the depletion region narrows, which increases the capacitance.
[0016]
From a notched gate, two distinct changes can be made. First, the energy of the halo implant can be reduced, which results in a less spread and thus steeper halo distribution result, as shown by comparing curves 16 and 16 'of FIG. Curve 16 is a conventional halo implant, while curve 16 ′ is a halo implant obtained by using the notched gate of the present invention described in detail herein below. Curve 18 is a distribution map of the extension implant for both conventional and notched gates. Second, in the region where the halo implant is spaced from the extension implant edge, the halo has a higher net doping concentration, as shown by points B and B 'on curves 17 and 17'. Have. This results in a narrower depletion region in this area. Furthermore, the higher halo doping results in a steeper junction, as shown at points A and A ′ in FIGS. As the depletion region is narrowed, Vt short channel control is improved. The doping distribution at the point A ′ on the curve 17 ′ is steeper than the doping distribution at the point A on the curve 17, and the device can be stopped by controlling the channel potential with a shorter channel.
[0017]
The halo doping distribution at point C ′ on curve 17 ′ is the point on curve 17 because a lower energy implant can be used to reduce diffusion and form a halo with a notched gate. It can be steeper than the halo doping distribution in C. As a result, the spread of the halo is reduced and the dispersion of the halo is reduced. Therefore, the linear Vt control can be improved even if the channel length is shortened. As shown in FIGS. 3, 4 and 5, the steeper distribution C ′ of the halo implant places the source and drain diffusions closer together before the two halos merge. Can do. As a result, the same Vt control can be performed even with a shorter channel length. Physically, FIGS. 3, 4 and 5 differ only in the gate length. In FIG. 3, both the conventional gate halo and the notched gate halo have an identifiable region adjacent to the source and drain, and are equally effective in Vt control. In FIG. 4, the notched gate halo continues to form an identifiable halo adjacent to the source and drain, but conventional halos begin to integrate and Vt is poorly controlled. In FIG. 5, the conventional halo is fully integrated, while the notched gate halo is about to begin integrating. Therefore, excellent Vt control can be realized with a shorter channel length by using the notched gate halo.
[0018]
One method of separating the halo implant from the extension implant is to implant a halo at the edge of the gate, then provide a spacer along the gate sidewall, and then implant the source / drain extension. The width of the spacer is 10-20 nm, which provides a gap between the halo and the extension implant. This method allows the desired separation from the halo source / drain extensions, but requires that the NFET extension block mask be used twice, once before spacer formation and once after. Is a drawback. This method also requires tight control of the spacer width to ensure that the separation of halo and implant can be reproduced. The present invention improves this approach.
[0019]
The method of the present invention provides a bevel implant of a halo using a tip-down T-gate, while providing an extension implant from a more perpendicular direction, thereby separating the halo implant from the extension implant, a sharper joint, and Enables tighter control of halo carrier concentration. Thus, the present invention allows the halo implant and extension implant to be placed laterally offset from each other without any masking step. Thus, the extension block mask may be used only once to provide both the halo and the extension. In the separation of the implant by this single mask, the T-shaped gate 20 is first etched on the semiconductor wafer 21. (T-shaped gates can be formed using the processes described herein below.)
[0020]
As shown in FIG. 6, the T-shaped gate 20 has a lower portion 22 having a dimension L 1 and an edge 23 on the gate dielectric 24. The T-gate 20 also has an upper portion 26 having a dimension L 2 and an edge 27 on the lower portion 22. The notch 28 is thereby defined and has a height h and a lateral length u. Here, u = (L 2 −L 1 ) / 2. After forming the T-shaped gate 20, an extension block mask (not shown) is provided to block the PFETS during the formation of the NFET 30.
[0021]
The p-type halo 32 is then implanted at an angle q given by tan q <h / u. Here, h is the height of the notch, and u is the lateral length of the notch. Accordingly, the halo 32 is defined by the lower portion 22 of the T-gate 20. In general, to provide device implants on wafers of different orientations, halo bevel implants are made from all four basic orientations. As shown in FIG. 6, any particular device receives an implant in an active area in two directions. Finally, the expansion diffusion part 34 is implanted at an angle perpendicular to the semiconductor wafer 21. Accordingly, the diffusion extension 34 is defined by the edge 27 of the large upper portion 26 of the gate 20.
[0022]
Accordingly, the implant edge 36 of the halo 32 is offset from the implant edge 38 of the extension 34 by a dimension approximately equal to u. This dimension is approximately equal to the dimension of the notch 28, and any implant is performed without any masking steps during the implant process. Because these two diffusions 32 and 34 are defined by different edges 23 and 27 of the gate 20, no masking step is required to achieve this separation. This is accomplished by performing vertical and beveled implants using the falling T-gate 20.
[0023]
In the next step, a layer of insulating material 46 is conformally deposited on all surfaces of the wafer 21, as shown in FIG. The insulating material 46 is made of a material such as silicon dioxide or silicon nitride. Next, as shown in FIG. 8, sidewall spacers 48 are formed using directional etching. Finally, as also shown in FIG. 8, the source / drain 50 is implanted, defined by spacers 48. Alternatively, as shown in FIG. 9, the insulating material 46 may be non-conformally deposited so that an air gap 49 is left behind the spacer 48 along the notched sidewall of the first layer 56. it can. A deposition process such as plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) is known as a highly directional deposition process that deposits a thicker film in a horizontal plane compared to a vertical plane. As shown in FIG. 10, sidewall spacers 48 having air gaps 49 are formed using directional etching. The resulting air gap 49 has a dielectric constant of about 1.0, while the silicon dioxide sidewall spacer 48 has a dielectric constant of about 3.5. The air gap 49 reduces the effective dielectric constant of the sidewall spacer 48 and thus helps reduce the overlap capacitance.
[0024]
Although the T-shaped gate 20 allows separation of the halo and extension implants without the addition of a separate masking step, the process described herein allows the lower portion 22 to have a minimum length dimension. Also offers the great advantage of being able to substantially improve device performance. Furthermore, the method of the present invention allows this reduction in gate length without increasing line width tolerance. In addition, the T-shaped gate is provided with an upper portion 26 having a large area, thereby avoiding an unacceptable increase in gate resistance when the lower portion 22 shrinks. Thus, performance can be substantially improved without unacceptable negative effects.
[0025]
The T-gate 20 is formed by depositing a two-layer structure 54 on the gate dielectric 24 and isolation (not shown) on the wafer 21, as shown in FIG. The two-layer structure 54 includes a first layer such as a germanium layer 56 and a second layer such as a polysilicon layer 58. These two layers are selected from materials in which the first layer 56 and the second layer 58 are easily oxidized. Next, the two-layer structure 54 is patterned and etched by photolithography as shown in FIG. The etched germanium layer 56 and polysilicon layer 58 are equal in length and width. This length or width should be the smallest dimension that can be achieved with a photolithographic system.
[0026]
In the next step, the two-layer structure 54 is subjected to a chemical reaction step such as oxidation at about 500-600 C, as shown in FIG. At this temperature, germanium oxide 60 grows on the exposed edge of the germanium layer 56, as shown in FIG. The polysilicon layer 58 does not oxidize sufficiently at this temperature. The germanium oxide 60 grows and consumes a germanium layer 56 of 7 to 13 nm (lateral length u). Next, germanium oxide 60 is removed by water washing, and a notch 28 shown in FIG. 6 is provided. This oxidation process can be controlled very strictly and the reproducibility of the consumed germanium thickness is very good. All oxides can be removed without further etching of germanium or polysilicon. Thus, this oxidation and etching process allows a high degree of control over the amount of germanium layer 56 that is removed and allows tight tolerances in the length or width of the germanium layer 56. Accordingly, the germanium layer 56 has a dimension that is about 14 to about 26 nm shorter than the polysilicon layer 58. Thus, the size of the germanium layer 56 can be about 10 to about 50% less than the minimum size of the photolithographic system used, while the polysilicon layer 58 remains at the minimum size.
[0027]
In other embodiments, the first layer 56 may include a germanium compound Ge x Si 1-x . Here, x ranges from about 0.5 to about 1.0.
[0028]
Some other chemical reaction steps have similarly good control. For example, the first layer 56 can be polysilicon and the second layer 58 can be a refractory metal. A thin layer of metal such as platinum, titanium, tantalum, or cobalt is conformally deposited along the sidewalls of the two gate layers 56,58. Next, when the substrate is heated, the metal thin film reacts with the polysilicon layer 56 to form metal silicide along the sidewall edge of the first layer 56. The second layer 58 is a refractory metal and does not react. The notch 28 can then be formed by selectively etching the silicide so as not to affect the second layer.
[0029]
Alternatively, a single gate layer of polysilicon 66 can be used for gate 20 '. FIG. 14 shows a thin metal film 68 deposited and coated with a sidewall 70 of gate polysilicon 66. FIG. 15 shows that directional etching has been performed on the metal thin film 68, and the metal in the horizontal surface direction and in the direction of the upper portion 70a of the sidewall 70 of the gate polysilicon layer 66 is removed. Next, when the substrate 21 is heated, the remaining metal 68 ′ reacts with the polysilicon 66, and as shown in FIG. 16, the metal silicide 72 is formed only on the lower portion 70b of the sidewall 70 covered with the metal 68 ′. It is formed. Next, as shown in FIG. 17, the silicide is removed to form a notch 28. Metal silicide 72, such as cobalt silicide or titanium silicide, can be wet etched in hydrogen peroxide or hot sulfuric acid / hydrogen peroxide mixture.
[0030]
The T-gate 20 formed in this process has substantial advantages over prior art gates. Since the lower part of the gate 20 determines its effective channel length, the germanium layer 56 can be selectively oxidized and trimmed in this way by using tighter control than previous attempts to form a T-gate. Therefore, it is possible to provide a device with higher performance than a device without trimming. A longer or wider upper polysilicon layer 58 can be used to increase the overall conductivity of the gate conductor.
[0031]
If desired, the gate dielectric stack can also consist of a germanium lower layer and a silicon upper layer, and a SiGe graded layer between the two layers. In this case, a final gate conductor structure with a tapered profile is formed between the germanium film and the silicon film, instead of a sharp discontinuous profile.
[0032]
The first layer 56 and the second layer 58 may be made of other conductive materials that are selective in oxidation and oxide etching. For example, a refractory metal such as tungsten, tantalum, molybdenum, or titanium, or a silicide such as titanium silicide, cobalt silicide, or platinum silicide can be used for the second layer 58. Polysilicon can then be used for the first layer 56.
[0033]
In other embodiments, the first layer 56 can be selectively etched with respect to the second layer 58 to eliminate the oxidation step and form the T-shaped gate 20. However, in this case, it is expected that the process controllability is slightly inferior to the case where the etching is performed after the oxidation.
[0034]
Several embodiments of the present invention and modifications thereof have been described in detail herein and shown in the accompanying drawings, but various other modifications can be made without departing from the scope of the present invention, It will be apparent that it is possible to provide a FET with a notched gate. Nothing in the above specification is intended to limit the invention more narrowly than the appended claims. The provided examples are intended to be illustrative only and not exclusive.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an extension implant and halo doping profile for a conventional gate device and a notched gate device showing one side of the device.
FIG. 2 is an offset net doping profile of extension implants and halos for a conventional gate device and a notched gate device.
FIG. 3 is an offset net distribution profile of extension implants and halos for a conventional gate device and a notched gate device with different channel lengths showing the entire device including the source and drain. is there.
FIG. 4 is an offset net distribution profile of extension implants and halos for a conventional gate device and a notched gate device with different channel lengths showing the entire device including the source and drain. is there.
FIG. 5 is an offset net doping profile of extension implants and halos for conventional and notched gate devices with different channel lengths showing the entire device including source and drain. is there.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a T-shaped gate showing a halo and extension implant defined by different edges of the T-shaped gate.
7 is a cross-sectional view showing process steps for forming spacers and source / drain implants for the T-shaped gate of FIG. 6. FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing process steps for forming spacers and source / drain implants for the T-shaped gate of FIG. 6;
9 is a cross-sectional view showing a process step of providing an air gap behind the spacer for the T-shaped gate of FIG. 6;
10 is a cross-sectional view showing a process step of providing an air gap behind a spacer for the T-shaped gate of FIG. 6;
11 is a cross-sectional view illustrating a process for fabricating the T-shaped gate of FIG.
12 is a cross-sectional view illustrating a process for fabricating the T-shaped gate of FIG. 6. FIG.
13 is a cross-sectional view illustrating a process for fabricating the T-shaped gate of FIG. 6. FIG.
FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating another process for fabricating a T-gate without a two-layer structure of gate material.
FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating another process for fabricating a T-gate without a two-layer structure of gate material.
FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating another process for fabricating a T-gate without a two-layer structure of gate material.
FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating another process for fabricating a T-gate without a two-layer structure of gate material.

Claims (6)

半導体デバイスを製作する方法であって、
表面を有する、第１材料からなる基板を供給するステップと、
前記表面上にゲート誘電体を形成するステップと、
前記ゲート誘電体上に、Ｇｅ ｘ Ｓｉ １−ｘ からなり、ｘが０．５から１．０の範囲であるゲルマニウムまたはゲルマニウム化合物を付着させて前記ゲート誘電体に接触する第１ゲート層を形成し、前記第１ゲート層上にシリコンを付着させて第２ゲート層を形成することにより、前記第１ゲート層と前記第２ゲート層とからなるゲート導体を形成するステップと、
前記ゲート誘電体に隣接する前記第１ゲート導体の縁部を酸化反応させて、第１反応生成物を形成するステップと、
前記第１ゲート層と前記第２ゲート層の残りの部分に対して、前記第１反応生成物を選択的に除去することにより、前記第１ゲート層にノッチを設けるステップと、
前記第２ゲート層の縁部によって画定され、前記ゲート誘電体に対して垂直にドーパント注入することにより形成される拡張拡散部の両縁部から、前記第１ゲート層と前記第２ゲート層の幅の差に相当する長さだけチャネル領域に延びたハローを形成させるため、前記表面に垂直に交わる垂線から前記ゲート誘電体に対して所定の角度傾けて前記基板にドーパント注入する第１ドーパント・インプラント・ステップであって、前記第１ドーパント・インプラント・ステップがハロー・インプラントであるステップと、
を含む方法。A method of manufacturing a semiconductor device comprising:
Providing a substrate made of a first material having a surface;
Forming a gate dielectric on the surface;
A first gate layer that contacts the gate dielectric is formed on the gate dielectric by depositing germanium or a germanium compound made of Ge x Si 1-x , where x is in the range of 0.5 to 1.0. a step, and forming the by forming a second gate layer by adhering the silicon on the first gate layer, gate conductor composed of said second gate layer and the first gate layer,
Oxidizing the edge of the first gate conductor adjacent to the gate dielectric to form a first reaction product;
Providing a notch in the first gate layer by selectively removing the first reaction product from the remaining portions of the first gate layer and the second gate layer;
The first gate layer and the second gate layer are defined by edges of the second gate layer and from both edges of the extension diffusion formed by dopant implantation perpendicular to the gate dielectric. In order to form a halo extending in the channel region by a length corresponding to the width difference, a first dopant is implanted into the substrate at a predetermined angle with respect to the gate dielectric from a perpendicular perpendicular to the surface. An implant step, wherein the first dopant implant step is a halo implant;
Including methods. 前記第２ゲート層のサイドウォールに沿ってスペーサを設けるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。Further comprising the method of claim 1 the step of providing a spacer along the sidewall of the second gate layer. 前記第１反応生成物に、酸化ゲルマニウム、または酸化シリコン・ゲルマニウムを含む、請求項１に記載の方法。The method according to claim 1 , wherein the first reaction product includes germanium oxide or silicon germanium oxide. 前記ゲート導体を形成するステップが、前記ゲート誘電体上のゲルマニウムからなる第１層と、シリコンからなる第２層と、第１層と第２層の間にＳｉＧｅの傾斜層とを形成するステップを含む、請求項１に記載の方法。Forming the gate conductor comprises forming a first layer of germanium on the gate dielectric, a second layer of silicon, and a SiGe graded layer between the first and second layers. including method of claim 1. 前記拡張拡散部を、前記ゲート導体の前記第２ゲート層によって画定された第２インプラントとして、前記ゲート誘電体に対して垂直にドーパント注入するソース／ドレイン拡張部インプラントを行って形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。 Forming the extension diffusion as a second implant defined by the second gate layer of the gate conductor by performing a source / drain extension implant that implants a dopant perpendicular to the gate dielectric; comprising the method of claim 1. 前記ゲート層の上部に隣接してスペーサを形成するステップと、前記スペーサによって画定された第３インプラントとして、前記ゲート誘電体に対して垂直にドーパント注入するソース／ドレイン・インプラントを行うステップとをさらに含む、請求項５に記載の方法。Forming a spacer adjacent to the top of the gate layer; and performing as a third implant defined by the spacer a source / drain implant that implants a dopant perpendicular to the gate dielectric. 6. The method of claim 5 , comprising.
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